复杂地层的钻孔技术

第四章复杂地层的钻孔技术1 什么叫复杂地层复杂地层是相对好地层而言的。

一般人们习惯于把出现坍塌、掉块、漏水、涌水、缩径、膨胀等一系列现象的地层，叫复杂地层。

复杂地层是客观存在的，是不依人的意志为转移的的。

不论你承认不承认都会发生，是一种地质现象。

不管你用什么设备，什么钻进方法；也不管大口径或小口径，合金或钢粒，还是金刚石；也不管是地质钻探、工程钻探、水文钻探或工程施工都会遇到这种现象，而且随着水电工程的发展，复杂现象也愈加严重。

具体讲，复杂现象的钻孔包括覆盖层，特别是深厚覆盖层的钻孔、岩溶地层的钻孔，以及不均匀地层的钻孔等。

2 复杂地层对钻孔施工的影响在钻孔施工中，若遇复杂地层，就会严重地影响钻孔生产，轻者，使钻进不能正常进行，停待时间增多；重者，导致孔事故，质量达不到要求，拖延工程进度；再重者，钻孔报废。

复杂地层的钻孔事故屡见不鲜，这里不细述。

复杂地层对钻孔的影响是多方面的：2.1 生产效率低由于地层复杂，难以钻进，或钻具下不到底，或被卡、夹、埋，反复处理，辅助时间增多。

发生孔事故多，又把大量时间用在处理事故上，纯钻时间相应减少，生产效率下降。

据有关资料，钻探发生的各类事故中，有70%以上都与复杂地层有关，有的大工程因地层复杂拖延了计划工期；有的钻机完不成任务，有的承包者赔本，连工资都发不出来。

2.2 工程质量得不到保证一方面由于孔事故多，使一些钻孔在未达到设计孔深时被迫提前终孔；有的因为岩石破碎，岩心采取率达不到要求；有的因孔壁坍塌严重无法按时进行试验或灌浆；另一方面，由于人们把大量的精力用在处理事故上，无心去研究工程质量问题，使工程质量得不到保证。

2.3 成本增加，盈利减少（1）效率的降低使单位成本增加；（2）处理事故使费用增加。

如原材料消耗加大；运输量增多；机械磨损加剧；劳动量加大；而且，往往由于孔事故导致机械事故，机械事故又引起人身事故，形成恶性循环，使单位成本和总成本骤增，盈利大幅度下降，甚至亏本。

（3）由于事故迫使提前终孔的，需要另外补设新孔，也使成本大大增加；（4）由于工期紧，效率低，完不成任务，不得不增加钻机数量。

2.4 影响新技术推广在试验、推广新技术、新方法时，一般都要孔有良好的条件。

如金刚石钻进、绳索取心钻进就是这样，如果孔事故频发，将严重阻碍新技术、新方法的试验与推广。

综上所述，复杂地层钻孔问题不仅是解决好其他问题的前提和基础，而且是影响施工效率、质量的主要障碍。

但是，掌握复杂地层的钻进技术是一种必然趋势，我们不但不能回避，而且应主动想办法去攻克技术难关。

3复杂地层钻孔的应对措施3.1 护壁堵漏是解决复杂地层钻孔问题的有效手段在钻孔施工中，为了对付复杂地层，就出现了护壁堵漏这个名词和方法，但护壁和堵漏的概念是不同的，目的也是不同的，护壁也叫护孔，主要是解决孔壁的稳定问题。

堵漏主要是解决冲洗液的漏失问题。

但由于二者常常同时进行，用的材料也大部分相同，堵漏的主要目的往往是为了解决护壁问题，护壁有时也可堵住漏失，所以通称护壁堵漏。

护壁堵漏是治理解决复杂地层钻进的有效手段，是预防孔事故的重要措施。

地层虽然是复杂的，但规律是可以掌握的，人是可以制服它的。

一般情况下，只要方确，对症处理，就可以使钻孔孔壁稳定平衡，实现顺利钻进，把由于复杂地层造成的孔事故降低到最低限度，从而实现钻探生产的优质、高效、安全、低耗。

工艺的正确与否是进尺多少的问题，护壁堵漏的正确与否是能不能进尺的问题，护壁堵漏工作的成败与否决定其他工作的成败与否。

在生产实践中，有些人不愿意花力气解决这个问题，总想冒险行动，抱着侥幸心理，甚至认为搞不搞无所谓，不搞护壁堵漏也过去了等等。

这种缺乏科学的劳动往往事故多，效率低，成本高，质量差或发生许多无效劳动。

技术的高低，方法的好坏，其效果是大不一样的，经济效益的差别是很大的，这种例子很多。

在复杂地层中采取正确的护壁堵漏措施就能提高经济效益。

如果坚持蛮干，不讲科学，最后必然劳民伤财，导致一系列工作变为徒劳，如有些机组在复杂地层施工不愿采取措施，屡屡不接受教训，孔事故接二连三地发生，钻孔出了大力，却没有收益。

3.2 坚持“因地制宜，综合治理”的方针所谓“因地制宜，综合治理”就是依据地质地层特点、钻孔结构、现场条件，根据本单位的货源情况、技术水平，分析、对比确定一种或几种有效的护壁堵漏材料，对复杂地层进行及时的处理，以保持孔壁的平衡稳定或不涌不漏，维持正常钻进。

为什么要制定这样的方针呢？这是因为：（1）复杂地层是各种各样的，客观条件是不同的，引起钻孔不稳定的原因又是多方面的；发生复杂情况的种类、轻重程度也有差别；现场条件如钻孔的深度、孔径、地质因素也有差别，一种方法解决不了那么多复杂问题，如果盲目的用单一的方法，必然得不到满意的结果。

（2）目前所有的护壁堵漏材料都各具有其特点，在一定条件下，有一定适应围，并有不同程度的效果。

到目前为止，还没有一种通用材料能解决所有的复杂问题。

（3）钻孔目的不一样，要求不一样，方法也就不同。

（4）技术因素、货源情况不同，用一种方法解决所存在的问题是不可能的。

（5）目前钻孔深度和复杂性还在增加。

（6）多年来的实践证明，凡是坚持因地制宜，综合治理，讲效方针的，效果就好，事故就少，生产就发展；反之，效果差，事故多或事倍功半。

4 护壁堵漏方法的正确选择目前用于钻孔护壁堵漏的材料种类很多，据资料介绍，国外有几千种，国也有几百种，但我们常用的只有十几种。

如各种类型的泥浆处理剂、水泥及各种附加剂、套管、各种化学材料、惰性材料，各种速效液、堵漏籍、无固相冲洗业以及压力平衡钻进法、根管钻几根管钻进法等。

所有这些材料和方法各具有不同的特点、适用条件，而且在实践中都取得了明显的效果。

要真正做到“因地制宜，综合治理”，就必须先掌握钻孔护壁堵漏的依据、一般原则，并在此条件下正确选择方法和材料。

4.1 选择护壁堵漏方法的依据（1）地层特点适应地层特点达到稳定孔壁或不漏、不涌的目的，满足顺利施工的需要是正确选择护壁堵漏方法的主要依据。

如对于只漏不垮的地层，在水源充足条件下，可用清水顶漏钻进；对只垮不漏或小漏的地层可用泥浆、水泥进行处理；对于轻微的坍塌可用无固相冲洗液或提钻回灌的方法解决；对于有漏又跨的地层要抓住主要问题进行治理，视情况可以用水泥护壁，也可堵漏后用泥浆护壁。

（2）施工目的护壁堵漏方法应满足施工目的和不影响地质资料获得为前提。

如水井钻探和灌浆孔就不能用水泥或泥浆，否则就把裂缝封住了；以获得水文资料为主的工程钻孔，在基岩就不能用泥浆，否则会影响水文资料的正确性。

（3）钻孔结构钻孔结构不同，孔径大小不同，钻孔深度不一样，其护壁堵漏的方法和材料也可能不一样。

（4）货源情况有些材料虽好，但货源紧或条件不具备，在这种情况下就要根据货源情况就地取材。

（5）现场条件对于现场条件，如问题的复杂程度、空段的围、深浅、钻进方法、施工时间的长短、季节、技术力量等都要充分考虑。

4.2 选择护壁堵漏方法的原则（1）效果好选择的护壁堵漏方法要效果好，能达到稳定孔壁的目的，满足顺利施工的要求，保证在整个散工周期不再引发，直到终孔。

（2）速度快即在满足施工要求的条件下，选择的方法尽可能简单，辅助时间少，停待时间短，速度越快越好。

（3）成本低选择的材料要货源广、价钱便宜、成本要低。

以上所述速度快、成本低、效果好，这三者是不可分的，而效果好是主要的，只有坚持科学的态度，进行综合评价，及时、果断并尽可能使用先进技术，才能获得理想的效果。

5 护壁堵漏方法的选择5.1优先选用泥浆5.1.1 适应性泥浆是一种用得最广泛，效果最好的护壁堵漏方法。

①它可根据不同地层特点对症选择不同性能的类型，且可随钻随护壁；②不仅适用于风化层、破碎带，也适用水敏地层、缩径膨胀地层；③不仅能用于浅孔，更适用于深孔；④不仅能用于大口径钻孔，也能用于小口径钻孔。

特别是随着PAM低固相泥浆、SM、NG植物胶无固相冲洗液的普遍推广，把泥浆的应用发展到一个新的水平。

国外专家一致指出：泥浆是完成钻进任务关键的关键，并认为“地质条件是复杂的，只有泥浆搞好了，复杂条件就不见了”。

可见泥浆的重要性了。

泥浆在石油、地矿、煤田、冶金等钻探施工中广泛应用着，近些年来，水电工程施工中也大量地进行了引用。

地勘部门一般都是深孔钻进，常常在500m以上，根据他们的经验，在实际中，常常有这种情况，由于地层复杂，处于山穷水尽疑无路时，一旦用上泥浆就立即柳暗花明又一村了。

在开孔钻穿覆盖层时，有人总想用清水钻进，往往一个十几米或二十几米的破碎带要折腾56天，甚至十多天；如果用上泥浆，一般13天就能下好空口管了。

【实例一】某单位在眉县铜峪钻探施工中，曾先后有三个钻孔，设计孔深均在400米以上，覆盖层为1520米。

因用清水、合金钻头钻进，多次导致事故、移孔位，仅开孔下孔口管时间累计折腾110天，平均一个孔36天多。

后来的三个孔采用泥浆、钢粒钻进，水泥封闭套管底部（隔钢粒）的方法，在比前三个孔复杂的条件下，开孔下孔口管的时间累计为15天，平均一个孔为5天。

仅开孔下套管的时间就缩短了95天。

【实例二】又如1978年在周至西骆峪工区ZK26孔，设计孔深600米，孔径Φ56mm，清水钻进至495米时，因上部炭质片岩松散，又塌又漏，孔积渣十多米，无法施工，先后折腾了十多天无效果，正讨论报废时，在该孔引进了PAM低固相泥浆，结果很快堵住了漏失（PAM泥浆中加入100kg水泥）护住了孔壁，顺利钻至终孔。

【实例三】在三峡隔流堤高喷施工中，覆盖层最深才50米左右，一般2530米，但钻一个孔常常要2～3天，有的达一个星期，而且孔事故多，后来采用NG植物胶泥浆后，大为改善，一般12天就能终孔，而且下喷管也很方便。

综上所述，泥浆具有以下特点：（1）随钻随护，钻到那里就护到那里，不仅效果好，速度快，成本也低，还能根据不同地层选用不同性能的类型。

（2）兼有润滑减阻、提高钻头寿命、携带岩粉能力强，预防事故，提高钻速等优点。

（3）有些品种如SM植物胶、NG植物胶等还有保护岩芯的作用。

长办在三峡就成功利用SM植物胶泥浆取出了柱状岩芯。

所以在条件允许的情况下，应优先选用泥浆，特别是选用优质泥浆。

用好泥浆的关键是选好类型，抓好现场管理。

5.1.2 对泥浆的要求与性能指标（1）必须是低固相、低粘度和低比重。

这样才有可能在环空间隙小的情况下，减少流动阻力和泵压损失，使钻具开上高转速，特别是金刚石钻进。

（2）必须有良好的润滑性，以减轻钻具高转速时的耐磨和振动；（3）要求泥浆失水量较小，泥饼致密，润滑性好，有利于减少动失水和上下钻时的压力激动。

（4）要求泥浆流变性好，具有良好的剪切稀释作用，既有利于钻头的冷却，延长钻头寿命；又有利于携带岩粉和保护孔壁；（5）要求泥浆有低的切力和良好的地表除砂系统，有利于排除细的岩粉。